JP2014504716A - 生体試料の低温保存を主用途とした、歩行可能冷却システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生体試料の低温保存を主用途とした改良された冷却システムと、その運転方法を提供する。
【解決手段】生体試料２の低温保存を主用途とした冷却システム１は、底部１１０と、側壁１２０と、頂部１３０により形成される低温室１００と、液体窒素２２０により低温室１００を冷却する冷却装置２００とを備える。底部１１０は液体窒素を用いた直接冷却用に構成され、低温室１００は、作業員３が低温室１００に入室し、内部で移動可能な大きさに設定される。底部１１０は液体窒素２２０の蒸気を透過させ、作業員３の支持領域となるプラットホーム１１１を有する。冷却システムの運転方法も記載される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体窒素（ＬＮ₂）により冷却される低温室（冷凍室）を備え、生体試料の低温保存を主用途とした冷却システムに関する。さらに本発明は、冷却システムの運転方法に関する。本発明は試料の冷却状態での長期保存、特に生体試料の低温保存に利用される。

生体試料を凍結保存するため、例えば精子バンク等の冷却システム内に貯蔵することが知られている（低温保存）。精子バンクは通常、−８０℃未満、特に水氷の再結晶化温度未満（−１３８℃）で運転される。精子バンクは、液体窒素（温度＝約−１９５℃）入りの冷媒剤と、複数の個別のタンク（いわゆる凍結用タンク。多くの場合、鋼から作製された二重壁のデュワーフラスコ。例えば欧州特許出願公開第ＥＰ１２２３３９３Ａ２号（特許文献１）、国際特許出願公開第ＷＯ２００８／００９８４０Ａ１号（特許文献２）、英国特許第ＧＢ８１２２１０号（特許文献３）を参照）を具備する。タンクの大きさは、数リットル〜約２又は３ｍ³にまで及ぶ。凍結用タンクは常温（室温）の室内に立設し、冷媒剤から前述の液体窒素が供給される。凍結用タンク内では、試料（例えば液体、細胞、細胞成分、血清、血液、細胞懸濁液、組織片等）が入ったチューブ、袋、又はその他密閉型容器を収容した箱が棚に並べられる。試料は完全に液体窒素内に配置してもよいが、液体窒素による試料の汚染を防ぐため、多くの場合液体窒素蒸気内の、約−１４５℃以下という低温の気相内に保存される。この気相は凍結用タンクの底の窒素水域上に形成される。

内部冷却のため、凍結用タンクは永久的に閉ざされていると有効である。しかし、実際には、例えば試料の取扱い時等に繰り返し開放されなければならない。そして実際には試料の保存、取出し、又は在庫管理が必要となる。このような作業は例えば１万〜１００万以上もの試料を保存する精子バンクの運転効果及び冷却状態の常時提供に関して致命的な制限となる。

また、それだけ大量の試料のためには、全作業、特に試料取扱いの自動化が不可欠である。従来の自動化手法（例えば、独国特許出願公開第ＤＥ１０２００５０３１６４８Ａ１号（特許文献４）、米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０１５６７５３Ａ１号（特許文献５）、米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２８３１９７Ａ１号（特許文献６）、米国特許出願公開第ＵＳ２００７／０２６７４１９Ａ１号（特許文献７）参照）は個別の凍結用タンクを対象とするもので、コスト高を招いてしまう。２０基を越える凍結用タンクを有する精子バンクでは、凍結用タンク間での自動化は、複数タンクに用いられる、現状では利用できない自動機械が必要となり、非常に複雑なものとなる。

低温室で食品を保存する技術も知られている。複数の低温室により歩行可能な大規模倉庫を形成した場合、保存及び自動化が有効となる。しかしこの技術を生体試料の低温保存に適用することはできない。食品冷却用の最低温度でも、生体試料の長期低温保存には高すぎるのである。さらに従来の低温室では、低温下での作業は容易ではない。−３０℃未満だと、従来の自動技術では、主にモータ、ベアリング、潤滑剤及び可動部の連結部の機能的、物質的な制限により、故障が生じてしまう。低温室内の異常時や部品の故障の際、低温室全体を暖める必要が生じる。従来の防護服を着用しても作業員は−８０℃未満の室内に安全に入ることはできないのである。深く息を吸うことで肺胞が凍結により傷つき、命の危険にも繋がる。低温室の開放、入室に伴う急速な着氷、凍結も考慮しなければならない。従来の極低温に冷却された低温室の断熱性、異常時の安全の確保についても問題がある。精子バンクは数１０年、さらに将来的には恐らく数１００年の間、間断なく冷却されることが求められるため、異常時の問題は特に重要である。現時点では、冷却システム全体の故障が起きた際に適切な修理がなされるまで、大面積の部屋を−８０℃未満に保つ技術は存在しない。

欧州特許出願公開第ＥＰ１２２３３９３Ａ２号明細書 国際特許出願公開第ＷＯ２００８／００９８４０Ａ１号明細書 英国特許第ＧＢ８１２２１０号明細書 独国特許出願公開第ＤＥ１０２００５０３１６４８Ａ１号明細書 米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０１５６７５３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２８３１９７Ａ１号明細書 米国特許出願公開第ＵＳ２００７／０２６７４１９Ａ１号明細書

本発明の目的は、従来の冷却システムの欠点や限界を克服可能な、生体試料の低温保存を主用途とした、改良された冷却システムを提供することにある。冷却システムは、特に大量の試料に対しても有効な冷却操作を行い及び／又は試料取扱いの自動化を促進するものである。従来の冷却システムの欠点や限界を克服可能な、本発明のさらなる目的は、生体試料の低温保存を主用途とした冷却システムの改良された運転方法を提供することにある。

これらの目的は、独立請求項に記載された特徴を有する冷却システム及び冷却システム運転方法により達成される。好適な実施形態や用途は、従属請求項から導き出される。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の第一の態様によれば、低温室、及び低温室を、液体窒素により冷却する第一冷却装置を備えた、生体試料の低温保存を主用途とした冷却システムが提供される。低温室は通常、床部、側壁、及び天井部で形成され、全体的に第一冷却装置により冷却され、保存される試料の収容に用いられる。低温室全体の冷却は、少なくとも床部から、目的に合わせて行われる。このため、低温室の床部は液体窒素により直接冷却に供される。これは低温室の均一な冷却に寄与するという利点がある。低温室は液体窒素の蒸気により下から上へと冷却されるため、低温室内では温度勾配を持つ気層形成が可能である。温度は安定的かつ再現可能に下から上へと上昇可能である。これにより、保存状態が再現可能となる、即ち試料設置場所の保存温度が再現可能となるという利点がある。

本発明によれば、低温室は少なくとも一人の作業員がその内部で静止及び移動できる程度の大きさに設定される。低温室の容積は、少なくとも一人の作業員を完全に収容でき、作業員がその中で直立及び／又は歩行可能なように設定される。好ましくは１０ｍ³以上の容積である。さらに好ましくは、５００ｍ³以上、さらには１０００ｍ³以上等の１００ｍ³以上の容積である。低温室は、例えば１０ｍ³の容積の場合、小極低温室となり、１００ｍ³の場合、極低温室となり、５００ｍ³の場合、極低温室群となり、１０００ｍ³以上の場合複数の室を備え得る大低温室となる。

本発明に係る冷却システムの低温室は、試料収容装置を収容するために利用される。試料収容装置としては、試料の収容に適した任意の保持構造、特に生体試料を収容する試料容器が使用可能である。試料容器は例えば、試験管、細管、毛細管、いわゆる「ストロー管」、袋、又はその他の密閉型容器である。試料収容装置は低温室内に常置（具体的には固定）してもよいし、少なくとも部分的に取り外し可能であってもよい。本発明によれば、低温室は、試料収容装置が配置された状態で、作業員がその内部で静止又は移動可能な大きさに設定されることが好ましい。

本発明によれば、低温室の床部は例えば、少なくとも多孔板、網及び／又は格子を備える多機能プラットホームを有する。まず、プラットホームは、液体窒素蒸気が通過し低温室内に上昇可能なように構成されている。即ち蒸気はプラットホームを透過可能である。従って低温室の床に冷却面が形成され、蒸気流により低温室の内部の迅速かつ直接的な冷却が可能となるので、低温室が効果的かつ均一に冷却されるという利点がある。さらにプラットホームは、低温室内で作業員と、そして特に試料収容装置との支持領域となる。プラットホームは、作業員用の直立位置及び／又は歩行面として構成される。そのため、プラットホームは、作業員の重量でも安定して、変形しないような、機械的荷重容量を有する。好ましくは、プラットホームの機械的荷重容量は１００ｋｇ／ｍ²以上（複数の軽量棚と一人の作業員に適する）、さらには５００ｋｇ／ｍ²以上（多数の棚と作業員に適する）、１０００ｋｇ／ｍ²以上（多数の棚、機械、作業員に適する）、そしてさらには５０００ｋｇ／ｍ²以上（複数の安全棚、機械、作業員に適する）である。また、プラットホームは少なくとも低温室の床の半分を占めるように形成されることが好ましく、さらには低温室の床の全体に亘って形成されることが好ましい。

本発明の第二の態様によれば、本発明に係る前記第一の態様の冷却システムの運転方法が提供される。当該方法は第一冷却装置による低温室の冷却及び低温室での試料、特に生体試料の配置に係る。

床部下方に液体窒素の自由水面が形成されるように、第一冷却装置に液体窒素が充填されると有効である。例えば、第一冷却装置は、液体窒素を収容する槽（床槽）のような、床部ひいては低温室に面して上方に開口する容器を有することが好ましい。床部のプラットホームは、例えば当該容器全体に亘って形成される格子を含んでもよい。第一冷却装置内の液体窒素容積は特に指定されないため、槽は平鉢状であることが特に好ましい。これにより、第一冷却装置内の液体窒素容積は低温室内の窒素蒸気の容積未満となる。床部及び第一冷却装置は左右及び下方に断熱処理がされていることが好ましい。

液体窒素による冷却、低温室のサイズ、プラットホームの設置を創造的に組み合わせることで、従来技術の欠点、限界を克服可能な新規の冷却システムが作成される。本発明により、従来の精子バンクにおける個別タンク様式を脱することが可能である。冷却システムは、精子バンクを自由な大きさで設計することを可能とする。従来の凍結用タンクに比べ、より大量の試料を常に一定の保存状態に置くことができるという利点がある。低温室内で、試料は試料容器に保存可能であり、タンクや低温室内の断熱等は不要となる。各試料は、その他試料の冷却を損なわずに取扱い可能である。

上記のように低温室の大きさが設定可能なため、容積は従来の凍結用タンクを遥かに上回る。上記のサイズ設定は自動化及び／又はより多くの作業員の収容に適した広さを提供するのみならず、冷却システムの熱容量増加にも寄与する。試料や器具をシステム内に入れても、入熱量はほんの些細なものとなり、試料全体としては殆ど影響を受けない。

大規模倉庫で食品を冷却する場合と比べて、液体窒素により低温室が冷却されるため、生体試料の低温保存用に十分な低さの温度にまで低温室が冷却されるという利点がある。生体試料の低温保存に求められる条件を全て兼ねるため、液体窒素を冷媒として利用するのは有効である。具体的には、液体窒素は安価で、取扱いやすく、沸点約−１９５．８℃以下では液状である。さらに、プラットホームにより作業員は、低温室の大きさに関係なく入室でき、故障や誤作動を解決できる。

また、本発明に係る冷却システムは以下の利点を有する。精子バンクを、試料収容装置が設置されるほど大きく、自動化可能な室により建設可能となる。冷却システムのサイズは小規模バンク（数１００試料）から工業用大規模システム（数１００万試料）まで選択可能である。低温室内の温度は、目的に合わせて−１３０℃未満に調整可能である。冷却システムは半自動、又は全自動で試料の保存、取出しを可能とする。さらなる利点として、長期運転可能であること、そして低温室内の温度を変えずに保全作業が可能であることが挙げられる。

本発明の更なる利点は、低温室内で湿気や着氷が完全になくなるということにある。これは、着氷がおきない急速冷却可能な冷却システム、低温室内の全試料並びにその他すべての保存品の迅速な取扱いが可能であること、任意で提供される、試料及び保存システムの電子応答性、低温室内の任意の箇所での温度調節が可能であること、試料を指定の温度に保った状態での迅速な試料の保存、取出しによってもたらされる。特に、本発明に係る低温室の床部からの窒素蒸気による冷却が、低温室の湿気、着氷防止（水分の防止、乾燥ガス下での保存）に寄与する。本発明は、新たなエネルギー概念に利用することもできる（水素の冷却及び発電への利用）。さらに、非常に重厚な安全関連システム及び制御冷却による低温室全体又は一部の温度の一定化が可能である。

本発明の好適な実施形態によれば、冷却システムは、第一冷却装置から独立して運転される少なくとも一の冷却装置（以下、第二冷却装置）をさらに備える。第二冷却装置も低温室の冷却に用いられる。第一変形例によれば、第二冷却装置は低温室の少なくとも一の側壁の冷却に用いられる。第二冷却装置の冷却部は、中空壁構造体として少なくとも一の側壁に内蔵され、又は低温室側に位置する。別の変形例では、上記構成に替えて、又は加えて、第二冷却装置は電気的冷却及び／又は液体ヘリウム（ＬＨｅ）による冷却に用いられる。

第二冷却装置は冷却システムのハイブリッド運転を可能とするという利点がある。例えば、少なくとも二の異なる冷却方式が時間経過に従って交互（例えば電気的冷却８時間、ＬＮ₂による冷却１０時間）又は並行して実施され、それに加え／替えて異なる冷却能力で実施される。例えば、−１５０℃まで電気的冷却を行いさらにＬＮ₂での冷却、ＬＮ₂での冷却及び作業員による選択可能なＬＨｅによる冷却、又は−８０℃まで別室の電気的冷却を行い、その後−１５０℃まで電気的冷却を行い、さらにＬＮ₂での冷却が可能である。このようなハイブリッド運転により、完全、又は半ハイブリッドシステムが実現可能である。完全ハイブリッド運転では、両冷却装置がそれぞれ完全に機能する。即ち、いずれの冷却装置も低温室の−１３０℃未満の温度での永続的な冷却を可能とする。半ハイブリッドシステムでは、一方の冷却装置（主冷却システム、例えば液体窒素使用型）が常に稼働し、他方の冷却装置（補助システム）は必要なときに起動される。特に第二冷却システムは非常用冷却システムとなり、その他に、冷却装置、特に第一冷却装置が故障した場合、試料の保存された低温室全体の温度が−１３８℃を越えないことを保障するものである。

本発明の好適な実施形態によれば、低温室の天井部は少なくとも一の天井開口部を有する。天井開口部は、低温室から低温ガスが常に上向きに天井部から出るように設けられた、常に開放された貫通口であることが特に好ましい。天井開口部は試料の取扱用開口部及び／又は作業員用の入退室用開口部となる。低温室が天井開口部以外に、例えば側壁や床部に、開口を持たないことは有効である。この場合少なくとも一の天井開口部が、外部から低温室内への試料、作業員、機械の通過に適した唯一の接点となる。これにより、作業員は低温室に、天井部を通じて上方からのみ入退室可能となることが特に好ましいが、これに替えて／加えて作業員の側壁からの入退室を可能としてもよい。

少なくとも一の天井開口部は、低温室にフードチャンバーを設置可能とするという利点をもたらす。フードチャンバーには、例えば異常時に、試料収容装置又は少なくとも一の低温保存試料を収容可能である。

また、本発明の別の変形例によれば、天井開口部上方に少なくとも一のオペレーションルームを配置することが有効であると証明されている。オペレーションルームは、低温室よりも高い温度に設定可能である。熱損失を最小限に抑えるため、オペレーションルームは冷却システム外部から断熱されていることが好ましい。オペレーションルームは低温室に使用される技術システムを有する。好ましくはオペレーションルームには試料取扱用のロボットアーム等の機械制御要素及び／又は作業員の低温室の出入りを行う駆動装置が設置される。これに替えて／又は加えて、オペレーションルームを少なくとも一の閉塞部（人用閉塞部及び／又は試料用閉塞部）に接続することもできる。

本発明の好適な変形例によれば、グリッピングアーム、レバー又は作動部材等の機械制御部材を低温室内に送り込むことが可能である。制御部材が部分的、特に制御部材の相対移動可能なパーツ間が加熱可能であれば、低温室内の駆動装置の操作性は増す。当該接続部に局所ヒータを設けてもよい。

本発明に係る別の好適な変形例によれば、運搬装置は、オペレーションルーム内にロープ式引上げ機及び／又は足場部を有する。ロープ式引上げ機は、作業員を低温室に入室及び／又は退室させるために利用される。本変形例では、作業員はロープ又はチェーンに吊るされて移動させられる。これにより、低温室からの作業員の退避がより安全になるという利点がもたらされる。足場部は例えば、低温室内部、特に床部と、天井部上方のオペレーションルーム間に設けられる脚立や階段である。

低温室内外をつなぐ供給接続部が天井部を通過する構成により、熱損失低減に関してさらなる利点が得られる。供給接続部は、冷媒や呼吸空気用の媒体管、電源供給や信号伝送用の電線及び／又は信号伝送用の光ケーブルである。

本発明の別の好適な実施形態によれば、少なくとも一の側壁が、少なくとも二の壁層からなる多層構造を有してもよい。本発明者らは、少なくとも二の断熱壁層からなる構造により、わずかな冷媒消費量で、低温室内の室温環境に対して効果的に断熱できることを発見した。さらに、冷却系に異常が生じた場合でも、少なくとも数日間は冷却システムの運転が可能である。複数の壁層の利用には、空間利用、側壁内の高密度充填に最適な設計が可能であるという利点がある。各壁層は側壁に沿って形成されており、耐熱性、即ち０．０５Ｗ／ｍ²未満（単純な断熱フォーム材）、さらには０．００４Ｗ／ｍ²未満（真空パッド）、そしてさらには０．００１Ｗ／ｍ²未満（真空断熱）の熱伝導性及び／又は撥水性を持つ。複数の壁層が側壁の延在方向に対し垂直に積層されている。壁層は少なくとも一のプラスチック層、少なくとも一の真空構成部壁及び／又は少なくとも一の蒸気遮断層を備える。プラスチック層は、例えば硬フォームボードのような発泡プラスチック製板である。プラスチック層により、さらなる壁層に適した体積が得られるという利点がある。真空構成部材層は例えば、熱伝導性の低さが有効な真空断熱板である。蒸気遮断層は、例えば水蒸気を透過させない薄箔である。水分による故障を防ぐため、側壁内に複数の蒸気遮断層を設けてもよい。

少なくとも一の壁層は、罅や穴等の損壊の自己修復に適した素材（例えば発泡体、液体、膨張体の複合材料を例えば適切な素材で封入）で形成可能であり、したがって自己修復壁となる。

少なくとも一の壁層の熱伝導性は可変であってもよい。熱伝導性は真空構成部壁の真空処理やガス、液体の注入により変更可能となる。

本発明によれば、少なくとも一の側壁の内側、即ち低温室に面した表面を金属素材で被覆してよい。これにより、例えば冷却層を形成でき、それに加えて／又は替えて第二（電動）冷却装置の冷却部を収容可能となる。

さらに、本発明によれば、少なくとも一の側壁はモジュール構造を有してもよい。具体的には、少なくとも一の壁構成部は、対応する側壁に対し垂直に移動することで分離可能となる。少なくとも一の壁構造部は可動であり側壁から分離可能である。少なくとも一の壁構造部により、試料をおびやかすことなく、側壁が個別に断熱媒体を変更可能な構造とすることができるという利点がある。それに替えて又は加えて、少なくとも一の壁構造部により、異常時に低温室から試料を迅速に撤去（退避）可能な非常用開口部が形成可能となるという利点がある。少なくとも一の壁構造部は例えば発破により側壁から瞬時に除去可能である。異常時には、側壁の可動壁構造部と対応する箇所の外側に、可動退避容器用のドッキング装置を設けると有効である。

本発明のさらに別の好適な実施形態によれば、少なくとも一の側壁が、可動扉により閉塞可能な扉開口部を有する。扉も、周辺の側壁と同様、断熱性を持つ。側方に扉開口部が設けられていることで、作業員が低温室内に側方から入室可能となるという利点をもたらす。扉開口部は好ましくは、床部から特定の高さに設けられる。距離は少なくとも１０ｃｍだが、５０ｃｍ以上さらには数ｍでもよい。扉開口部は、階段を介して床部と繋がる。この場合、扉開口部と床部の間に、下方に閉じた窒素蒸気収容空間が形成される。従って、扉開口部が開放されても、窒素蒸気の少なくとも一部は低温室から流出不能である。それに替えて、又は加えて、扉が自側壁に対し平行移動可能であってもよい。この場合、例えば垂直又は水平に移動可能な壁表面（遮断壁）が形成される。また退避コンテナ用のドッキング装置や閉塞部を、扉開口部の位置に対応する側壁の外側に設けてもよい。

低温室内の試料収容装置は、生体試料用の支持構造を形成する棚（いわゆるラック）を備えると有効である。これは、例えば機械制御部材による試料の自動取扱に有効である。棚は、生体試料入り容器を自由に配置可能な親板（ラック）を有する。棚は熱伝導性の高い材料、例えば金属でできていることが特に好ましい。これにより試料収容装置で均一な温度分布が得られるという利点がある。

また試料収容装置は、制御装置（運転制御）に対して電気接続及び／又は光接続するように構成してもよい。これにより棚や、必要に応じて棚の試料との電子応答を実現できる利点が得られる。

本発明の変形例によれば、試料収容装置は床部まで到達する熱橋を有してもよい。熱橋は、熱伝導率の高い材料、例えば金属製である。これにより、第一冷却装置のＬＮ₂水域へ高伝導に接続される。本発明の別の変形例によれば、試料収容装置は加えて、又は上記構成に替えて、剛性部材を形成してもよい。例えば、棚が剛構造体に接続される。これにより、正確な位置決めや、プラットホームへの荷重が再現可能となるという利点がある。

本発明の別の変形例によれば、低温室を隔壁により小室に分割することもできる。隔壁は、低温室内で縦及び／又は横方向に延長させることもできる。これにより、主低温室、副低温室等の区画や、必要に応じて補助低温室の区画も可能となる。また、例えば試料の保存容量、取扱頻度及び／又は必要保存温度に適合させた冷却が可能となる。一例として、低温室の、例えば前部、中央部、上部、後部及び／又は下部の特定の部位にて、目的に応じて温度を増減可能とできる。さらに、異常時に迅速な試料の退避のため、高温空気の通る熱通路を設けてもよい。

隔壁を利用することで、互いに隣接した小室をそれぞれ異なる温度とする構成が実現できる。例えば、低温室の中心の小室を最低温度として、最も安定的に低温保存温度が確保されるようにできる。これにより、最重要の凍結生体試料が低温室中央の小室に保存されて、その周辺の小室に懐死物質を保存し、液体、遺伝物質、セリン等を外側小室に保存するというような保存計画が可能となる。

本発明の包括的な特徴によれば、冷却システムは、
特定室内で低温気相を完全に撹拌するための換気装置、
ガスセンサ、例えば酸素センサ、
特に低温室内での空間温度分布計測用の温度計、
警報機、例えば警報ランプ、
赤外線又は熱照射を最小限に抑えた照明器具、例えばＬＥＤやその他低温光源を使用したもの、
ガラス繊維による天井部、床部、又は少なくとも一の側壁の光結合（特にガラス繊維は真空部材により断熱されて低温室内に導入可能である）、
無接点式の電気、信号入力（誘導、又は光結合）、
監視装置、例えば監視カメラシステム、移動検出器及び／又は熱感知器、
自己接続、ブリッジ不要電圧供給型非常電源、
低温室内上方の冷媒スプリンクラーシステム、例えば低温室の急速冷却のため液体窒素又は液体ヘリウムを供給するもの、
異常時でのタンクローリー等の外部液体ガス供給源用の接続装置、
窒素液化システム、
液体窒素の予備分を収容する冷媒貯蔵庫、
床部から低温室内に延長された凝縮水回収部、
のうち少なくとも一を備える。

以下、本発明の他の利点や詳細について、添付の図面を参照しながら説明する。図面は以下の通りである。

本発明に係る冷却システムの好適な実施形態の概略断面図である。 本発明に係る冷却システムの好適な実施形態の概略断面図である。 本発明に係る冷却システムの別の実施形態の概略斜視図である。 本発明に係る冷却システムの別の実施形態の概略斜視図である。 本発明に係る冷却システムの側壁の概略断面図である。 本発明に係る冷却システムの側壁の概略断面図である。 駆動装置が追加された本発明に係る冷却システムの概略全体図である。 低温室が区画された本発明に係る冷却システムの別の実施形態の概略的平面図及び棚から試料を取り出す作業を示す概略断面図である。 低温室が区画された本発明に係る冷却システムの別の実施形態の概略的平面図及び棚から試料を取り出す作業を示す概略断面図である。 本発明に係る冷却システムのさらに別の実施形態の概略斜視図である。 図９は利用状況に合わせた本発明に係る冷却システムの低温室の適用を示す概略図、図１０は本発明に係る冷却システムの別の動作モードを示す概略図である。

以下に、本発明に係る冷却システム及びその運転方法の好適な実施形態を、低温室を有する例示的な冷却システムを基に説明する。低温室は、作業員がその内部を数歩歩行可能な大きさに設定される。本発明は例示される低温室のサイズに限られるものではなく、サイズが格段に大きな低温室（大型低温室）又は小さな低温室によっても実現可能である。本発明に係る実施形態は、本発明に係る冷却システムの構造及び本発明に係る冷却システムにより提供される新規の運転方法を基に説明される。特に、本発明に係る冷却システムにより、試料作成、特定の冷却報告の実施、又は記録された試料データと共に試料を配置すること等の先行技術により周知である生体試料の低温保存の詳細が実現される。

図１は、低温室１００、第一冷却装置２００、第二冷却装置３００、オペレーションルーム４００及び冷媒供給器５００を備えた本発明に係る冷却システム１の一実施形態の概略断面図である。

低温室１００は下部が床部１１０、側部が側壁１２０、上部が天井部１３０により形成されている。低温室１００の容積は、例えば１０ｍ×５ｍ×３ｍである。試料収容装置１４０が床部１１０から立設し、側壁１２０に隣接した状態で低温室１００に配置される。低温室１００の内側面は、例えば金属等の熱伝導性の高い部材でできた冷却層１０１を有する。冷却層１０１により低温室内１００内で上下方向の温度補償が起きるという利点がある。具体的には、低温室１００の上部でも温度は−１３０℃未満に調整可能となる。これは生きた生体試料の長期保存には重要である。

それぞれ床部１１０からの距離が異なる複数の温度計１０３が低温室１００内と、オペレーションルーム４００内に設けられる。これにより、低温室１００内の温度分布を検出できる。必要に応じて、温度補償をするため、特に低温室１００の上部の温度を下げるため、低温室１００内で第二冷却装置３００及び／又は図示しない換気装置によるさらなる冷却が行われてもよい。

床部１１０は、槽２１０を有する第一冷却装置２００全体に延在するプラットホーム１１１を備える。槽２１０は、内側が真空であり、外側に断熱部を有する二重壁構造の槽本体を有する。断熱部は側壁１２０と同一の構造を有する。これに代えて又は加えて、槽は赤外線反射真空領域で断熱される。冷却システム１の運転中、槽２１０に液体窒素２２０が貯蔵される。液体窒素２２０は好ましくは、床部１１０に面する自由水面を有し、窒素水域を形成する。冷却システム１の運転中において、槽２１０の充填及び液体窒素２２０水域の維持は冷媒供給器５００により行われる。

プラットホーム１１１は槽２１０全体に延在し、プラットホーム足場１１２が設けられた、例えばスチール製の格子を備える。プラットホーム足場１１２により、作業員３とプラットホーム１１１のあらゆる機械的接触の可能性が低くなる。従って、作業員３からプラットホーム１１１へのあらゆる熱移動が最小限に抑えられる。プラットホーム１１１は作業員３及び試料収容装置１４０用の支持領域を形成するため、追加の部材（図示せず）によって槽２１０内で機械的に支持することもできる。

側壁１２０は、好ましくは内側プラスチック層１２１及び二層の外部真空部層１２２．１，１２２．２を有する複数の層状壁層を備える。プラスチック層１２１は、例えばポリウレタンフォーム等のポリマーフォーム製の層を備える。プラスチック層１２１の厚さは、１０ｃｍ〜１ｍの範囲内で選択でき、或いは１ｍを超える厚さとすることもできる。外部真空部層は真空構造要素（いわゆる「真空部」）の内側層１２２．１、及び外側真空中空層１２２．２を備える。内側真空部層１２２．１の真空構造要素は、特に従来の建築用石材又は煉瓦と同様に、直方体の形状を有し、プラスチック製で、内部が真空処理済み又は真空処理可能となっている。外側真空部層１２２．２の中空壁は通常運転モードでは真空状態であってもよく、又は任意に冷却液で満たされていてもよい。中空壁は特に、一つの冷却装置が故障した場合に有効な機能を発揮する。一の冷却装置が故障した場合に、低温室１００が加熱されないように、外部真空部層１２２．２の中空壁には液体窒素等の冷却液を、選択可能な外部補助容器５４０（図６参照）から充填することもできる。これによって大量の液体窒素が消費されるものの、外部からの熱の侵入を阻止できる。この場合は、中空壁が最外層となるべきではない。

また図１の記載とは異なるが、プラスチック層と真空部層の順序を入れ替えてもよい。さらに、プラスチック層及び／又は真空部層を追加して設けてもよい。側壁１２０については図５を用いてより詳細に説明される。

天井部１３０は、天井開口部１３１を有する、例えばポリマーフォーム製のプラスチック層１３２を備える。天井開口部１３１の上方に駆動装置４１０と、低温室１００内に入り込む機械制御部材４１１とを備えるオペレーションルーム４００が設けられる。図１に、駆動装置４１０により作動可能な、垂直移動部（４１２）及び水平移動部（４１３）を有するロッドアッセンブリを例示する。試料２は、機械制御部材４１１により試料収容装置１４０に導入又は取り出し可能となる。駆動装置４１０の機械制御部材４１１は、オペレーションルーム４００に設置されており、機械制御部材４１１は、例えばロープ式引上げ機、チェーン、歯付ベルト等を使用して、上方、即ちオペレーションルーム４００から駆動される。必要に応じて、モータ、偏向ローラ又はその他機械的接続領域が熱を遮断するように隔離してもよいし、局所的に加温してもよい。また熱橋が形成されないよう、断熱部材（図示せず）を機械制御部材４１１内に設ける。

試料収容装置１４０は、試料容器に生体試料２が保存される棚１４１（いわゆる低温ラック）を有する。棚１４１は熱伝導率の高い素材、例えば金属製のフレームを有する。フレームはプラットホーム１１１と熱的接触し、熱橋１４２を通じて第一冷却装置２００内の液体窒素２２０に直接接触する。これにより、棚１４１上部までの効果的な冷却が保証される。

第二冷却装置３００は少なくとも一の側壁１２０、特に側壁１２０の内側に突出した表面上、又はその内部に設けられる。第二冷却装置３００は電気的冷却を行うよう構成され、統合型ヒートポンプ３２０に接続された冷却部３１０を備える。統合型ヒートポンプ３２０は低温室１００の外側、好ましくはその上部に配置される。第二冷却装置３００は、例えば−１５０℃までの電気的冷却を可能とする。本発明に係る変形例によれば、第二冷却装置３００を、窒素冷却又は液体ヘリウムによる冷却を行う予備装置として形成することもできる。

オペレーションルーム４００は、機械制御部材４１１用の駆動装置４１０を備え、さらに追加で駆動装置（図２参照）を有してもよく、これに加え又はこれに代えて、人用及び／又は試料用閉塞部４５０，４６０（図３，図６参照）を接続することもできる。

冷媒供給器５００は、冷媒貯蔵容器５１０及び冷媒路５２０を備える。冷媒路５２０は冷媒貯蔵容器５１０から天井部１３０及び低温室１００を通り、第一冷却装置２００に通じている。冷媒路５２０は例えば真空管路として形成されており、低温室１００外で断熱されている。低温室１００内部（５２１）では冷媒路５２０は断熱されていない。従って低温室１００内部の冷却が促進される。低温室１００内部で冷媒路５２０は凝縮水回収部（水分トラップ）として機能する。乾燥・低温の窒素雰囲気が低温室１００全体に形成され、着氷がなくなるまで、低温室１００内の残留水分は最低温の場所、即ち冷媒路５２０の表面に集中する。

凝縮水回収部としての冷媒路５２０の機能は低温室の初期冷却において特に有効である。水分は凝縮水回収部によりまとめられ、冷却システム１の運転中に乾燥した保存状態が保障される。乾燥した保存状態（着氷を防ぐ保存状態）は試料の棚内環境のみならず、試料取扱いの自動化に関しても有効となる。乾燥した保存状態では機械制御部材４１１の可動部が動きやすくなるのである。

本発明に係る冷却システムの重要な構造を、図１に示す。低温室１００内への供給接続、具体的には供給路及び開口部を通じた供給接続はすべて、天井部１３０を通じて、即ち上方から行われる。これにより、熱供給を最小限に抑えられる。さらに、低温では作動不能な装置のために、オペレーションルーム４００内部又はその上方に、高温度の頂部機器を設けてもよい（図２参照）。具体的には、温度の高い、ひいてはモータのような可動部の操作用に内部ヒータを有するチャンバーを、頂部に置いてもよい。このような室が複数、塔状に重ねられてもよい（図２参照）。ガスが第一冷却装置２００から明らかな容積の増大と共に連続的に形成され、冷却システム１は圧力がかからないような構造を有する、即ち密閉されていないため、窒素は下方から低温室１００に連続的に流れる。窒素排出用の、例えばサイフォン状の排出口１０２が冷却システム最上部に設けられる。冷却システム１の操作の信頼性を向上させるため、異常時にできるだけ長く温まらないことが重要である。これは特に側壁１２０の断熱構造で可能となる。

冷却システム１運転のため、低温室１００は第一冷却装置２００、さらには補助的に第二冷却装置３００により所望の低温保存用温度にまで冷却される。その後、機械制御部材４１１により、低温室１００内の試料収容装置１４０内に、試料２が並べられる。異常時、又は保全、制御、又は作業のため、作業員３は天井開口部１３１又は側方扉（図４参照）より低温室１００に入室可能である。作業員３は、断熱処理され、頭部まで保護する防護服を着用し、それにより熱損失から守られる。

図２は本発明に係る冷却システム１の変形例の概略断面図を示す。本変形例は、図１で説明した低温室１００、第一冷却装置２００、第二冷却装置３００、及び冷媒供給器５００を有するものである。オペレーションルーム４００について、下記のような変更がなされている。図２において、オペレーションルーム４００は、図１のオペレーションルーム４００と基本的には同様に構成された第一室４２０並びに、第二室４３０及び第三室４４０を備える。第二室４３０、第三室４４０内に、計測器及び／又は制御装置、又は追加の駆動装置等の運転機器４３１，４４１が追加で設けられる。オペレーションルーム４００の室はそれぞれ断熱されている。具体的な温度は各室内で調整可能である。通常、第一室（４２０）、第二室（４３０）、第三室（４４０）の順に温度が高い。オペレーションルーム４００の室間は管４０１（又は貫通孔）により繋がっており、低温室１００内で形成されたガス雰囲気が運び込まれる。第三室４４０の上側にサイフォン状の排出口１０２が設けられる。

少なくとも一の室扉４０２が設けられた隔壁が室４２０，４３０，４４０間に設けられ、室４２０，４３０，４４０間で異なる温度が設定されやすくなっている。例えば、低温室１００内の温度が−１９６℃から−１４０℃の間に調整されている場合、第二室４３０の温度を−８０℃程度に調節し、第三室４４０の温度を−４０℃から−２０℃の間に調整可能である。従って、作動温度の異なる運転装置をそれぞれ室４２０，４３０，４４０内に設置可能である。温度観測のため、各室４２０，４３０，４４０内に温度計４０３が設けられる。

図２の記載とは異なるが、室４２０，４３０，４４０間を開放可能としてもよい。このような構成でも、間断なく冷却する際に、上部ほど温度の高い複数の水平方向気体層を形成可能である。さらに、少なくとも特定の動作段階における温度検知部材の動作のため、抵抗加熱器又は赤外線ランプの局地ヒータを室４２０，４３０，４４０の内の少なくとも一つに設けてもよい。これは低温室１００内の温度に影響を与えずに行えるため有効である。

図３は本発明に係る冷却システム１のさらなる実施形態による、作業員３の低温室１００内への歩行入室の特徴を示す。これは低温室１００は、床部１１０、側壁１２０、天井部１３０が簡潔に描かれた概略斜視図により示される。実際には、これら部材は図１、図２に記載の状態で冷却システム１を構成する。

天井部１３０には、カバー１３２で閉じられる天井開口部１３１が設けられる。作業員３の入室によっても低温室１００内の温度の層状構成は殆ど影響を受けないため、低温室１００の頂部に開口部を設けることは有効である。または、作業員３の入室用に開口部が側壁のいずれかに設けられてもよい（図４参照）。

天井開口部１３１の上方にオペレーションルーム４００が設けられる。オペレーションルーム４００には作業員３の低温室１００への入室及び／又は退室を行う運搬装置１５０が設けられている。運搬装置は、引上げ機及び足場部１５２（梯子）を有するロープ式引き上げ機１５１として例示されている。部材１５１，１５２はそれぞれ個別に設けてもよいが、必要ならば迅速かつ確実に作業員３を低温室１００から引き上げられるよう、安全上、両部材を纏めて設けることが好ましい。ロープ式引上げ機１５１は試料２及び棚１４１の移動にも用いることができる。

オペレーションルーム４００を、断熱外部閉塞扉４５１を通じて外部から入室可能な人用閉塞部４５０と接続してもよい。人用閉塞部４５０は、断熱内部閉塞扉４５３により、オペレーションルーム４００から分離されている。オペレーションルーム４００と人用閉塞部４５０の間には、均圧用にチューブ型接続部材４５２が設けられている。そのため、両室間に気圧差は生じず、窒素ガスはオペレーションルーム４００、人用閉塞部４５０を通じて低温室１００から出て、その後排出口１０２を通じて外部に排出される。

人用閉塞部４５０を通じての低温室１００内への歩行入室の際、まず作業員３は、人用閉塞部４５０外で、呼吸空気供給器５を有する防護服４を着る。その後、人用閉塞部４５０内は中間温度範囲、例えば−８０℃まで予備冷却される。そのため、人用閉塞部４５０は冷却装置（図示せず）を備える。または、人用閉塞部４５０を低温室１００から流出する蒸気の一部で冷却させることもできる。作業員３は十分冷却された後、オペレーションルーム４００内に移動し、ロープ式引上げ機１５１及び／又は足場部１５２により低温室１００内に移動する。低温室１００内で、作業員３は例えば試料収容装置１４０の保全作業をするために移動可能である。

人用閉塞部４５０の閉塞扉４５１、内部閉塞扉４５３及びカバー１３２は電気接点及び以下の手順の少なくとも一に供される閉塞制御システムを有する。

まず、冷却システム１の通常運転中に、低温室１００の検査が可能である。作業員は、外で呼吸空気供給器５を有する防護服４を着る。この際、人用閉塞部４５０の外部閉塞扉４５１は、内部閉塞扉４５３及びカバー１３２が閉じていなければ開くことはできない。作業員３が閉塞部４５０内に居り、外部閉塞扉４５１が閉じられると、人用閉塞部４５０内に、所定の温度の乾燥した窒素雰囲気が形成されれば内部閉塞扉４５３を開くことができるようになる。雰囲気形成のため、気体、又は液体窒素が外から吹き込まれてもよい。人用閉塞部４５０内に、所定の温度の乾燥した雰囲気が形成されると、内部閉塞扉４５３が開き、作業員３はオペレーションルーム４００に歩行入室可能となる。この際、作業員３はさらに所定の温度まで冷却される。作業員３が十分冷却され、オペレーションルーム４００内の雰囲気が所定の標準値に到達すると、カバー１３２が開き、作業員３は低温室１００に入室可能となる。低温室１００内で作業員３はビデオで監視され、冷却システム１外の救助員と無線音声接続されている。通常運転において、低温室１００からの退室は、上記手順が逆に進められる。

さらに、非常時に非常スイッチ（図示せず）によりカバー１３２そして内部及び外部閉塞扉４５１，４５３が同時に開く場合がある。これにより、作業員３の救助及び／又は保存された試料の安全確保のために迅速に低温室１００への入室が可能となる。非常時に作業員３は天井開口部１３１及び人用閉塞部４５０を通じて、低温室１００から自力で脱出、又は連れ出される。この際に、暖められた乾燥空気が外部からブロア４６０により低温室１００内部さらにはオペレーションルーム４００、人用閉塞部４５０へと吹き込まれてもよい。これにより温度は−５０℃を越え、酸素も供給される。酸素の供給は酸素計（図示せず）で確認される。従って、低温室１００内で救助員は防護服及び独自の酸素供給源なしで活動可能となる。

図４は本発明に係る冷却システム１のさらなる実施形態による、低温室１００内の点検及び試料収容装置１４０の低温室１００に対する設置又は撤去の特徴を概略的に示す。図３に示したのと同様に、冷却システム１は、床部１１０、側壁１２０、天井部１３０が簡潔に描かれた概略斜視図により示される。

試料収容装置１４０の設置又は撤去のため、オペレーションルーム４００直下の天井部１３０に天井開口部１３１が設けられる。オペレーションルーム４００は塔状のフードチャンバー４００．１を備える。フードチャンバー４００．１は試料収容装置１４０の棚１４１がオペレーションルーム４００内に完全に収まる程度の高さを有する。オペレーションルーム４００内には、特に非常時に棚１４１をオペレーションルーム４００内に牽引可能なロープ式引上げ機４１４を有する駆動装置４１０が設置される。

図３の描写とは異なり、可動扉部１２６を有する扉開口部１２５が側壁１２０の一に設けられ、作業員３の歩行入室を可能としている。扉開口部１２５は床部１１０から一定の高さに設けられる。扉開口部１２５開放時に低温室１００内に充満した低温ガスが外部に漏れないよう、入室口が高い場所に設けられていることが好ましい。扉開口部１２５と床部１１０の間には、作業員３が低温室１００入室のために利用する階段１２７が設けられる。扉１２６は側壁１２０に沿って移動するよう構成される。側壁に対して軸旋回すると、低温室１００内に充満した低温ガスの水平層構造が乱されるため、側壁に対して平行な垂直又は水平移動が好ましい。

低温室１００外では、少なくとも二の室４５５，４５６及び外部閉塞扉（４５１）、中央閉塞扉（４５４）、内部閉塞扉（１２６，４５７）が設けられた人用閉塞部４５０が側壁１２０に設けられる。内部閉塞扉４５７は扉１２６によって形成される。低温室４５５，４５６と低温室１００の間には、低温ガスを低温室１００から外部に流出可能とするチューブ型接続部４５２が設けられる。排出口１０２を通じて、外部室４５５から外部にガスが流出する。外部室４５５の温度は−２０℃であり、内部室４５６の温度は−８０℃である。

低温室１００の点検のため、作業員３は呼吸空気供給器５を有する防護服４を、人用閉塞部４５０外で装着する。人用閉塞部４５０内で作業員３は、扉開放部１２５を通じて低温室１００に歩行入室可能となるまで段階的に冷却される。図３で説明したように、人用閉塞部４５０の扉４５１，４５４，４５７は通常運転用、非常事態用に制御可能である。

低温室１００内に、長い間（１５分超）滞在する必要が生じる場合があるため、低温室１００内には供給接続部１０４が設けられる。防護服４及び／又は呼吸空気供給器５は、例えば防護服４内の電源補給又は酸素供給のため、供給接続部１０４に一時的又は常に接続される。

図５Ａから図５Ｃは、本発明に係る冷却システム１の低温室１００の側壁１２０をさらに詳細に説明するものである。側壁１２０の特徴は低温室の床部下方の第一冷却装置２００（図１参照）の断熱にも利用されてよい。図５Ａから図５Ｃの概略断面図において、低温室１００は側壁１２０の右側に設けられる。即ち、図５Ａから図５Ｃにおいて、左側が側壁１２０の外側である。

図５Ａに示すよう、側壁１２０の内側にはまず、数ミリから１ｃｍの厚さの金属製、例えばアルミやスチール製の冷却層１０１が設けられる。冷却層１０１は第一冷却装置２００（図１参照）特に第一冷却装置２００の液体窒素２２０と直接熱接触するため、低温室１００内部の冷却に寄与する。その外側に、側壁１２０に沿って延在する真空中空壁である真空部層１２２．１が設けられる。真空中空壁の外面は赤外線放射（熱放射）を反射するため、反射面仕上げが施されるか、反射膜１２０．１を有する。このため、外部からの熱放射が反射されるという利点がある。

その外側に、レンガ状の断熱部材を有するレンガ壁状の真空部層１２２．２が設けられる。断熱部材は中空プラスチック体であり、内部は真空処理され密封されている。各断熱部材は独立した構造を有する。真空部層１２２．２内で、断熱部材がレンガ壁のように、互いにずれた複数の層をなすように配置される。従って側壁１２０を通じた熱移動が抑えられるという利点がある。

その外側には、ポリウレタン等の発泡スチロール製のプラスチック層１２１が設けられる。断熱性、安定性を確保するため、プラスチック層１２１は例えば、１０ｃｍから１ｍの厚さを有する。プラスチック層１２１のさらに外側には、側壁１２０の機械的保護用の保護層１２１．１及びさらなる壁拡張部及び／又は真空部壁（図１参照）が設けられる。

本発明に係る利点は特に、側壁１２０の厚さが重大かつ現実的制限なしに増大できることにある。全体の厚さとして、１ｍから６ｍの範囲内さらには、１０ｍを越えてもよく、冷却システムのサイズに合わせて適宜選択される。従来の凍結用タンクでは、保存スペース確保のため、タンク壁は可能な限り薄く設けられる。それに対し、本発明に係る冷却システム１の側壁１２０の厚さはそのような重大な要素とはならない。

図５Ａに示す実施形態は、特に電気的冷却を行う追加の冷却装置の一部となる、中空壁がさらに設けられるように変形可能である。異常時、（例えば低温室の床部下方の第一冷却装置の故障時）に、第一冷却装置の整備、修理中、側壁１２０のみで低温室を冷却可能である。側壁１２０による冷却は、例えば第一冷却装置２００内の液体窒素２２０が不足し、十分に早く充填できない場合に行われる。このような変形例は図５Ｂを用いてさらに詳細に説明される。

図５Ｂにおいて、側壁１２０はより厚い真空部層１２２．１を有し、第二冷却装置３００（図１参照）の冷却部３１０がさらに側壁１２０の内側に設けられている。冷却部３１０も、複数の金属製中空線状部のような層状の中空壁部材を備える。中空線状部は側壁１２０内側全体に延在してもよいし、それぞれ異なる長さであってもよい。冷却部３１０は統合型ヒートポンプ３２０（図１参照）に接続され、第一冷却装置２００（図１参照）の液体窒素２２０と繋がっていてもよい。

通常運転時、低温室１００内の冷却は冷却部３１０により補助される。異常時には、追加の冷媒が外部から冷却部３１０を通過可能である。追加の冷媒は、電気冷却システム、冷媒タンク又は連結された、例えば液体窒素を積んだタンクローリーから供給可能である。

真空部層１２２．３とプラスチック層１２１の順番の入れ替わった、側壁１２０のさらなる変形例を図５Ｃに示す。詳細には、側壁１２０内部にはまず金属製冷却層１０１が設けられ、第一真空部層１２２．１が金属製冷却層下に設けられる。第一真空部層１２２．１は、図５Ａに示すよう、反射部材１２０．１を有してもよい。そしてプラスチック層１２１及び真空構成部材層１２２．２の断熱部材からなるレンガ状壁が設けられる。そして外側には真空部層１２２．２安定用の保護層１２２．３が設けられる。さらに外側に従来の壁構成部を保護、安定のため設けてもよい。

図６の概略図は、本発明に係る冷却システム１と冷媒供給器５００及び運転制御システム６００との接続を示す。冷却システム１は−８０℃未満、特に−１３０℃で未満での生体試料の長期保存用に構成された低温室１００を備える。通常、低温室１００内の温度は−１４０℃未満である。そのため第一冷却装置２００（図１参照）に以下のように液体窒素が供給される。

冷媒供給器５００は第一、第二冷媒貯蔵容器（タンク）（５１０）（５１１）を有する。冷媒貯蔵容器５１０，５１１は、必要に応じて外部可動貯蔵部（タンクローリー）により補給されるが、冷媒供給器５００が独自の液化システム５３０を備える本発明に係る変形例が好ましい。液化システム５３０は冷媒貯蔵容器５１０，５１１に途切れることなく液体窒素を供給する。液化システム５３０により、数か月、数年、数十年もの間の長期にわたる間断のない長期冷却が保障されるという利点がもたらされる。液化システムの電気供給のため、異常時には第二冷却装置への供給も可能な発電機５３１が設けられる。

第一冷媒貯蔵容器５１０は、冷媒路５２０を通じて第一冷却装置２００（図１参照）に接続される。第一冷媒貯蔵容器はさらに、オペレーションルーム４００の可冷フードチャンバー４００．１（図４参照）に接続され、異常時にオペレーションルーム４００内の温度を例えば−８０℃にする。

第二冷媒貯蔵容器５１１は蒸発システム、第二冷媒路５２１及び温度制御装置５２２を通じて作業員用の人用閉塞部４５０に接続される。温度制御装置５２２は、人用閉塞部４５０内で第一室の温度を−４０℃とし、第二室の温度を−８０℃にするよう作動される。温度制御装置５２２はさらに、試料のための試料用閉塞部４６０の温度制御にも用いられる。

制御ループにより第一冷却装置２００にさらに液体窒素が供給される。充填量センサにより第一冷却装置２００内の液体窒素量が記録される。危険値を下回ると、冷媒路５２０を通じて液体窒素が第一冷却装置２００に供給される。

冷媒供給器はさらに、異常時に冷却システム１に液体窒素を供給する外部補助容器５４０を備える。外部補助容器５４０は好ましくは弁等の遮断部を通じて側壁１２０内の中空壁１２２．２に接続される（図１参照）。

さらに、低温室１００の温度を−８０℃好ましくは−１５０℃に設定するよう構成された電動統合型ヒートポンプ３２０を有する第二冷却装置が冷却システム１に接続されている。第二冷却装置３００の冷媒は低温室１００の側壁の冷却部３１０に送られる（例えば図１、図５Ｂ参照）。

図６にはさらに、本発明に係る冷却システム１の運転制御装置６００の部材も記載されている。具体的には、運転制御装置６００は試料の保存及び自動装置の撤去用の第一制御装置６０１及びシステム制御用の第二制御装置６０２を備える。具体的には、第二制御装置６０２は温度設定装置及び／又はビデオカメラ等の照明、監視システムの要素の制御を備える。運転制御装置６００は冷却システム１内の試料のデータ記憶装置に接続された第一データベース６０３を有する。試料容器の電子部品及び／又は警報システムは第一データべース６０３のデータに基づいて試料の致命的な状態を検知するよう制御される。第二データベース６０４は試料の電子部品への接続に利用される。冷却システム１と運転制御システム６００のデータ接続は有線でも無線でもよい。そして運転制御装置６００は低温室１００の側壁１２０の部材の真空処理用の真空システム６０５を有し、さらに必要ならば発電機５３１を有する。

図７は本発明に係る冷却システム１のさらなる実施形態を示す。図７Ａは上方からみた概略断面図であり、図７Ｂは側方からみた概略断面図である。さらに図７は、本発明に係る冷却システム１の棚からの試料の取り出しに関する変形例を図７Ｃに示す。図７に示す冷却システム１では、低温室１００は隔壁１６０により複数の低温室１０５，１０６，１０７に分割されている。例示的な実施形態において、例えば図１で説明したように、低温室１０５，１０６，１０７の外郭は、床部１１０、側壁１２０、天井部１３０で形成されている。低温室１００は天井部１３０を通じて上方からのみ入室可能となっている。低温室１００には側壁１２０から水平方向に延長された開口部がないので、低温室１００内のガスの水平層状構造が乱されることはない。

さらに、冷却システム１は完全に自動運転用に構成されている。通常運転時には低温室１００は点検されないが、天井部１３０（図７Ｃ参照）を通じてのみ、自動システムにより試料の供給、取出しがなされる。

隔壁１６０は、床部１１０（図４も参照）よりも高く配置された扉開口部１６１を有する。作業員３は階段１６２から扉開口部１６１を通じて各低温室１０５，１０６，１０７に入室可能である。扉開口部１６１の扉はシュート４１５を通じて天井部１３０からオペレーションルーム４００に収容可能である。各扉開口部１６１は最大限の間隔を持って配置されている。図７Ａに示すよう、扉開口部１６１は内部低温室１０５の、中央冷却室１０６の第二扉開口部１６１が設けられた側とは反対側に設けられている。このように各扉開口部１６１を配置することで、両扉開口部が開放された場合でも、最外低温室から最内低温室へ直接ガスが流入しないという利点がある。

また、全低温室１０５，１０６，１０７を上部からのみ入室可能とし、扉開口部１６１は異常時の入室のみのために設けられてもよい。この場合、扉開口部１６１を床部と同じ高さで設けることができるので、階段１６２は不要となる。

低温室内部の観察、照明の向上のため、隔壁１６０には窓が設けられてもよい。窓は熱伝導率が低いことが好ましく、真空の合成窓が好ましい。

図７Ｂに人用閉塞部４５０を通じてどのように低温室１００に入室可能であるかを示す。作業員３は階段から人用閉塞部４５０に入室する。防護服４着用の作業員３は、人用閉塞部４５０に上って入室し、天井開口部１３１から最外低温室１０７に入室可能である。その後、作業員３は扉開口部１６１から内側の低温室１０６，１０５に歩いて入室可能である。

図７に示す冷却システム１は、低温室１０５，１０６，１０７がそれぞれ異なる温度に調節可能であるという利点がある。配置的に、最内低温室１０５が、冷却システム１中で最も安全な室である。低温室１０５は、外側低温室１０６，１０７により熱の侵入から保護されているため、異常時にも温まるのが一番遅い。従って、図７に示す冷却システム１は以下のように使用されることが好ましい。

細胞、細胞懸濁液、血液、組織片等の生体構成物質のような最重要試料は最内低温室１０５に保管される。これらは取扱いの殆ど必要ない、ほぼ不動の保存物である。また、予備、代替保存物も最内低温室１０５に保管される。中間低温室１０６は、より頻繁に取扱われる試料を収容し、精子バンクの作業領域として利用することもできる。そして、−５０℃から、さらに好ましくは−２０℃の温度で保存可能な試料を最外低温室１０７に保存する。このような試料としては、懐死物質、セリン、血漿、遺伝物質等が挙げられる。

図７Ｃに、各試料の取り出しを目的として、試料収容装置の棚１４１がどのように低温室１００から天井部１３０を経て、上部のオペレーションルーム４００に収容されるかを示す。オペレーションルーム４００内には、少なくとも内側がケイ酸系エローゲル等の多孔物質４８１を含む可動隔離塔４８０が設置される。棚１４１は垂直レール１４３に沿って低温部から隔離塔４８０に引き上げられる。隔離塔４８０のスリット４８２から所望の試料が取り出し可能な高さまで棚１４１は引き上げられる。隔離塔４８０は窒素水域（図示せず）と繋がっている。多孔物質に液体窒素を充填することで、隔離塔４８０内の温度は例えば−１６０℃となる。取り出される試料のみが外気温度−２０℃に短時間晒され、棚１４１内のその他試料は全て低温室１００の低温可動延長部としての隔離塔４８０内に置かれる。

例えばケイ酸系エローゲルのような多孔物質に冷媒、特に液体窒素を含ませることは、隔離塔４８０の積極的な冷却のために必須ではない。隔離塔４８０を断熱部材で形成してもよい。また本発明において、例えばケイ酸系エローゲル等の多孔物質を、特に床部１１０、側壁１２０、天井部１３０等の低温室１００の他部で使用することもできる。

図８に、細部がさらに加えた本発明に係る冷却システム１の他の実施形態を示す。この冷却システム１も通常運転時は自動運転されるので、作業員が低温室に入室することはない。低温室１００内の点検は、異常時、保全作業、設置作業、確認等の特別な場合を除いて行われない。したがって通常運転時に低温室１００の点検が行われることはないが、ここでは低温室１００の点検が行われる特別なケースについて説明する。

冷却システム１は上述の通り、低温室１００及びその上方に設けられたオペレーションルーム４００を備える。低温室１００は床部１１０、側壁１２０、天井部１３０により形成されている。第一冷却装置２００は床部１１０下方に位置し、第二冷却装置３００は側壁１２０に接続されている。天井部１３０には、少なくとも一の天井開口部１３１が設けられ、ロープ式引上げ機１５１と梯子１５２を備える運搬装置１５０は、この天井開口部１３１を通じてオペレーションルーム４００から低温室１００に入る。

低温室１００の点検の際、作業員３は人用閉塞部４５０を通じてオペレーションルーム４００に歩行入室する。人用閉塞部４５０とオペレーションルーム４００の間には、閉塞扉が設けられる。作業員３は階段４５７から閉塞扉を通じてオペレーションルーム４００に入室可能となる。オペレーションルーム４００から天井開口部１３１を通じて低温室１００の点検が行われる。オペレーションルーム４００上方にはフードチャンバー４００．１（非常用塔）が設けられる。非常時には試料収容装置１４０、特に搭状棚１４１をフードチャンバー４００．１内に移動可能である。

図８は、本発明に係る冷却システム１の更に有利な特長である、低温室１００内に設置された窒素スプリンクラーシステム１０８を示す。窒素スプリンクラーシステム１０８は、特に天井部１３０の下側に位置することが好ましい。窒素スプリンクラーシステム１０８により、低温室の初期使用時又は異常時に急速冷却が可能という利点が得られる。窒素スプリンクラーシステム１０８は冷媒路を通じて冷媒供給器５００（図１及び図６参照）から供給を受ける。

さらに、低温室１００内に凝縮水回収部１０９が示される。凝縮水回収部１０９は、例えば第一冷却装置２００、具体的には液体窒素２２０に繋がるシートメタルである。凝縮水回収部１０９は氷トラップを形成する。あらゆる氷層は、凝縮水回収部１０９を機械的剥離、吸引又は局地的膨張した乾燥温暖ガスによる昇華で除去可能である。従って、従来の低温保存技術と異なり、低温室内の他部での着氷を抑えられる。

低温室１００及びオペレーションルーム４００の換気は、サイフォンとの管接続により行われる。異常時には、外部換気設備によりオペレーションルーム４００に乾燥し、温度調節された空気を送り込んでもよい。このため、可撓性チューブ部材１２８が設けられる。これにより、冷却システム１の作動状態において、−５℃〜−５０℃の呼吸可能環境が急速に整うため、オペレーションルーム４００に１分以内、具体的には２０秒以内に入室可能となるという利点がもたらされる。低温室１００にも上記環境が必要な場合、巻き上げ式パイプを、梯子１５２に沿って天井開口部１３１を介して低温室１００内に引き出してもよい。こうすることで、低温室１００を換気する場合、同様に低温室１００にも１０〜２０秒以内に呼吸器や防護服なしで入室可能となる。

試料の即時撤去（退避）の必要に備え、壁構成部１２３が側壁部に設けられる。壁構成部１２３は、開口接合部１２４を介して側壁１２０に取外し又は打ち出し可能に接続されている。側壁１２０の外側には、概略的に示した、可動退避コンテナ用のドッキング装置７００を設置してもよい。

オペレーションルーム４００内に位置し、制御部材４１１用の駆動装置４１０を備える試料自動取扱機４７０により、試料は自動的に設置、取出しされる。制御部材４１１の水平移動は−８０℃以上のオペレーションルーム４００で実行される。制御部材４１１の垂直アーム４１６は、低温室１００内への移動の際に、天井開口部１３１に形成されるスリットに係合し、棚１４１の全てのトレイが操作可能となる。試料は取り出されると上方に送られ、試料自動取扱機４７０に到達した後、温度調節（−６０℃〜−８０℃）された閉塞部に送られる。そこで試料は耐寒着が不要な取出し位置４５８に運ばれる。

図９に、冷却システム１が工業用の大規模空間の大きさに設定されている場合には、可動隔壁１６０の使用が有効であることを示す。隔壁１６０は低温室１００に対して必要に応じて進退可能である。隔壁１６０は低温室１００の長さ方向に沿って及び／又は垂直に形成される。好ましくは、隔壁１６０は垂直方向、即ち上方に移動可能である。これにより、低温室１００内で不要なガス流又は制御不能な温度勾配が発生することを防ぐことができるという利点がもたらされる。隔壁１６０はさらに、低温室１００の各室を個別に冷却することで、それぞれ異なる温度に設定可能とする。このように、数１００万もの試料を収容可能な精子バンクが実現される。

図９の記載とは異なるが、図１０に冷却システム１に利用可能なモジュール構造を示す。ここで、全室又は全試料収容装置は低温室１００内で個別の構成要素となっている。従って必要に応じて、各要素は完全に個別的に供給を受けることが可能である。これによりシステムの拡張が可能になる利点が得られる。

以上の明細書、図面及び特許請求の範囲で開示した本発明の特徴は、単独でも、又は組み合わせた状態でも、種々の実施形態において本発明を実現するために重要となり得る。

Claims (15)

1. 床部(110)と、側壁(120)と、天井部(130)により形成される低温室(100)と、
   液体窒素(220)により前記低温室(100)を冷却する第一冷却装置(200)と
   を備え、
   前記床部(110)は前記液体窒素により直接冷却を行うよう構成された、生体試料(2)の低温保存を主用途とした冷却システム(1)であって、
   前記低温室(100)は、作業員(3)が内部で静止及び移動可能な大きさに設定され、
   前記床部(110)は前記液体窒素(220)の蒸気を透過させ、作業員(3)の支持領域となるプラットホーム(111)を有することを特徴とする冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システムであって、さらに
   前記低温室(100)の冷却のために、前記第一冷却装置(200)とは独立して作動可能な第二冷却装置(300)を備えることを特徴とする冷却システム。
3. 請求項２に記載の冷却システムであって、
   前記第二冷却装置(300)は前記低温室(100)の少なくとも一の前記側壁(120)の冷却に使用され、及び／又は電気的冷却動作用に構成されることを特徴とする冷却システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一に記載の冷却システムであって、
   前記天井部(130)は天井開口部(131)を有し、
   前記天井開口部(131)の上方に、駆動装置(410)及び機械制御部材(411)を有する少なくとも一のオペレーションルーム(400)が設けられ、
   前記オペレーションルーム(400)は、前記作業員(3)の前記低温室(100)内への入室用の運搬機(150)を有し、及び／又は閉塞部(450)に接続されることを特徴とする冷却システム。
5. 請求項４に記載の冷却システムであって、
   前記機械制御部材(411)は前記低温室(100)内に送出可能であり、少なくとも部分的に加熱可能であり、及び／又は
   前記運搬機(150)はロープ式引上げ機(151)及び足場部(152)を有することを特徴とする冷却システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一に記載の冷却システムであって、
   前記側壁(120)は複数層を有する多層構造を有しており、
   前記複数層は、少なくとも一のプラスチック層(121)、少なくとも一の真空部層(122.1，122.2)、少なくとも一の蒸気遮断層の内、少なくとも一を含むことを特徴とする冷却システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一に記載の冷却システムであって、
   少なくとも一の側壁(120)は、対応する側壁(120)に対し垂直に移動可能で、当該側壁(120)から分離可能な少なくとも一の壁構成部(123)を含むモジュール構造を有することを特徴とする冷却システム。
8. 請求項７に記載の冷却システムであって、
   前記少なくとも一の壁構成部(123)を有する側壁(120)の外側に、退避コンテナ用のドッキング装置(700)が設けられることを特徴とする冷却システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一に記載の冷却システムであって、
   前記少なくとも一の側壁(120)は、扉(126)を有する扉開口部(125)を備えることを特徴とする冷却システム。
10. 請求項９に記載の冷却システムであって、
    前記扉開口部(125)は前記床部から所定の高さに設けられ、及び／又は前記扉(126)は対応する側壁（120）に対し平行移動可能であることを特徴とする冷却システム。
11. 請求項１〜１０のいずれか一に記載の冷却システムであって、
    棚(141)を有し、試料の収容に使用される試料収容装置(140)が低温室(100)内に設けられることを特徴とする冷却システム。
12. 請求項１１に記載の冷却システムであって、
    前記試料収容装置(140)は、前記床部(110)内まで延長された熱橋(142)を備えることを特徴とする冷却システム。
13. 請求項１〜１２のいずれか一に記載の冷却システムであって、さらに
    低温室内で垂直及び／又は水平方向に延長された隔壁(160)と、
    液体窒素の予備分を貯蔵する冷媒補助容器(540)と、
    窒素液化システムと(530)と、
    前記低温室(100)内に設置される凝縮水回収部(109,521)と、
    前記低温室(100)内上部に配置される窒素スプリンクラーシステム(108)と、
    前記低温室(100)の冷却用に構成されるヘリウム供給システムと
    の内少なくとも一を備えることを特徴とする冷却システム。
14. 請求項１〜１３のいずれか一に記載の冷却システムの運転方法であって、
    前記第一冷却装置(200)により前記低温室(100)を冷却する工程と、
    前記低温室(100)内に生体試料を配置する工程と
    を含む方法。
15. 請求項１４に記載の運転方法の冷却システムであって、
    作業員(3)が前記低温室(100)内の制御、保全及び／又は運転を行うことを特徴とする方法。

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